嵇翔 陳波 李莎 閆二輪 殷春雷 程會武 錢浩 許江銘

中國石油塔里木油田公司塔里木能源分公司

天然氣中通常含有一定量的乙烷、丙烷以及更重的天然氣凝液組分(以下簡稱C2+)，天然氣凝液回收后可分離得到高附加值的乙烷、液化石油氣和穩(wěn)定輕烴等產品，這些產品是優(yōu)質的化工原料和民用及工業(yè)燃料,如乙烷裂解制乙烯[1-2]。天然氣處理裝置常采用低溫分離法回收相關高附加值的天然氣凝液組分，回收丙烷以上重組分時，制冷溫度達到-70～-80 ℃，如塔里木油田凝析氣深度回收工程最低設計溫度達到-73 ℃；回收乙烷時，制冷溫度更低，普遍操作溫度需達-90～-110 ℃[3-7]，對裝置投產、運行的水含量提出了嚴苛要求。根據TSG D0001-2009《壓力管道安全技術監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道》要求，新建設裝置必須完成耐壓試壓和泄漏試驗(水壓或氣壓試驗)后，方可投入正常使用[8]，同時，受野外施工條件的限制，設備或管道內將不可避免帶入液態(tài)水，深冷裝置投產運行過程中，極易發(fā)生設備、管道凍堵，影響換熱器、塔器的運行效率，甚至導致裝置因關鍵設備無法運行被迫反復停車。為此，裝置進料投產前，選擇高效的干燥工藝，能夠有效縮短開工周期，避免降溫過程凍堵發(fā)生，保證裝置一次性投產成功。基于此，對塔里木油田天然氣乙烷回收工程深冷凝液回收裝置投產前的循環(huán)干燥模式進行了優(yōu)化改造，以使裝置整體的常壓水露點達到-80～-70 ℃。通過現(xiàn)場實踐檢驗及裝置后期運行跟蹤，取得良好的實際效果。但是，該措施實施過程中也存在部分考慮不足之處。通過總結循環(huán)干燥運行情況及實踐經驗，對相關問題提出解決措施，以期為類似項目的設計、建設及投產前的干燥操作提供參考。

1 常用干燥方法及應用情況介紹

天然氣深冷凝液回收裝置的膨脹機、冷箱、脫甲烷塔、主要閥門等關鍵設備易發(fā)生凍堵，影響裝置的正常運行和運行效率，甚至還存在安全隱患。為此，必須對建設完成的裝置進行投運前徹底干燥作業(yè)。目前，國內裝置干燥普遍采用直接氣壓試壓、干燥氣體間歇性放空、氣體持續(xù)性放空方法，同時，緊急狀態(tài)下注入甲醇解凍或者防凍，以保證裝置能夠順利投產成功，本文分析了幾種常用方法的應用情況(見表1)，并介紹了各方法存在的相關問題。

表1 國內部分已投產大型天然氣深冷凝液回收裝置的干燥方案及效果裝置名稱關鍵運行參數干燥方案投產效果珠海高欄終端處理量: 1 000×104 m3/d設計壓力: 7.7 MPa、4.4 MPa運行溫度: -45～-73 ℃共2列水壓試驗氮氣干燥+抽真空+天然氣放空吹掃耗時15～20天2014年建成投產,投產過程存在凍堵,注甲醇解凍塔里木凝析氣輕烴深度回收裝置處理量: 1 500×104 m3/d設計壓力: 8.0 MPa、4.5 MPa運行溫度: -45～-73 ℃共2列空氣氣壓試驗+氮氣與天然氣充壓放空耗時3～5天2017年建成投產,部分管線、設備底部積水未能干燥,泵存在凍堵跳車情況新疆油田克拉美麗乙烷回收裝置[9]處理量: 250×104 m3/d運行壓力: 7.0 MPa、2.5 MPa運行溫度: -100～-109 ℃共1列液氮氣化試壓+氮氣氣化吹掃干燥2019年建成投產,未出現(xiàn)凍堵,液氮消耗量大

對于低溫裝置，普遍趨向采用氣壓試驗，避免或減輕投運過程中的凍堵風險。但是，根據ASME PCC-2-2018《壓力設備和管道維修》提供的空氣試壓系統(tǒng)儲能及安全距離計算公式[10],得到不同系統(tǒng)容積、壓力下的氣包的TNT當量及波及范圍(見圖1)，壓力越高，系統(tǒng)釋放時的能量與威脅越大。在裝置焊接質量未得到檢驗的情況下，高壓氣壓試驗對人員及裝置造成的安全風險極高，如2009年，上海小洋山LNG管道氣壓試驗管道破裂，造成人員傷亡及裝置嚴重損毀[11]。2021年，隨著《新安全生產法》的頒布實施，風險有效管控理念進一步得到強化，高壓裝置采用氣壓試驗阻力將越來越高。另外，直接采用空氣氣壓試驗，容易在低洼處集聚凝結水(100 m3試壓容積，潮濕空氣加壓至5 MPa后，將析出近130 L水于系統(tǒng)內)，以及施工過程中帶入水分，僅進行簡單充放壓，不易干燥徹底，投產過程中同樣存在凍堵風險，如塔里木輕烴裝置采用氣壓試壓，投產過程中部分試壓凝結水進入DHX塔底泵，造成泵軸承抱死停車。

采用干燥氣體(液氮氣化而得的氮氣或者經分子篩脫水的原料天然氣)對系統(tǒng)進行持續(xù)性放空干燥是有效的干燥方式，但在干燥時間、干燥成本方面存在不足。小氣量放空時，由于氣體流速低，干燥效果差、耗時長；大氣量放空時，將造成裝置干燥成本高，同時受制于溫度的限制，吸水效果較差，特別是以原料天然氣作為放空干燥介質時，脫水后高壓天然氣需要經過節(jié)流調壓后，才能進入低溫裝置區(qū)域(乙烷回收低溫部分運行壓力普遍為2.5 MPa左右)，伴隨產生高溫降；原料氣壓力過高的情況下，使得進入的天然氣溫度僅有5～10 ℃，甚至接近0 ℃，大大降低了干燥效果。

裝置在線甲醇加注解堵，可以作為投產過程凍堵的有效補救措施，但是，隨著裝置系統(tǒng)容量的加大及工作溫度的降低，甲醇注入解凍效果有限，且一處解凍的水合物將隨介質流入下一流程或設備，很有可能造成再次凍堵[12]。另外，甲醇作為引起催化劑中毒的化學藥品之一，下游化工廠往往嚴苛要求液烴產品中甲醇質量分數低于1×10-6(原則上不允許存在醇類物質)，使得在線甲醇加注存在引起產品質量事故的風險，只能進行停車回溫、化凍排液處理。

2 循環(huán)干燥總體思路及關鍵參數

2.1 干燥流程及總體思路

塔里木油田天然氣乙烷回收工程設計處理天然氣3 000×104m3/d(兩列裝置并列運行)，于現(xiàn)有輕烴裝置南側就地改擴建，最低運行溫度-101 ℃，低溫部分有8.0 MPa、3.5 MPa兩個設計壓力等級，8.0 MPa壓力等級下氣壓強度試驗壓力達到9.2 MPa，劃分的氣壓試驗包等效TNT當量超過250 kg，且嚴重威脅100 m處在運輕烴回收裝置，綜合考慮采用水壓試驗。3.5 MPa壓力等級管線設備采用氣壓試驗、水壓與氣壓試驗分界點及相關循環(huán)干燥路線(見圖2)，其中，冷箱、膨脹機、壓縮機未參與試壓。為保證干燥效果，裝置投產前采用循環(huán)干燥方法，總體技術思路如下：①以氮氣作為循環(huán)干燥介質，便于就地低點排放；②吸水后的氣體從脫甲烷塔、脫乙烷塔進入往復式乙烷壓縮機增壓，實現(xiàn)閉式循環(huán)；③乙烷脫水分子篩完成循環(huán)氣體的深度脫水；④以便攜式水露點儀實測水露點，判定各循環(huán)流程干燥情況。

2.2 關鍵參數及設備狀態(tài)確定

2.2.1關鍵技術參數確定

為達到循環(huán)干燥效果，結合現(xiàn)有設備能力，從干燥氣體吸水特性出發(fā)，制定合理的選取原則，對水露點、循環(huán)壓力溫度等關鍵參數進行合理的選取優(yōu)化，如表2所列。

表2 關鍵技術參數確定原則關鍵參數確定原則選取結果水露點檢測點:低溫裝置進出口,判定干燥情況;長流程中間設點,以判斷各段管線內含水情況;冷箱等關鍵設備進出口低溫裝置出口、乙烷壓縮機出口、冷箱進出口露點值:防止后期直接投產凍堵,水露點宜與分子篩出口水露點相當,同時維持運行一段時間;關鍵設備流程進出口水露點差值露點值-70 ℃;以冷箱進出口水露點測量值相差不高于5 ℃作為合格標準循環(huán)氣量氣量決定管道流速,流速宜高,充分擾動彎頭等低洼部位積水,提高干燥效果,避免出現(xiàn)干燥合格的假像;不宜超過20 m/s,以避免管道產生強沖刷腐蝕公稱直徑DN800 mm管線流速為1.1 m/s循環(huán)壓力壓力值:兼顧壓力對分子篩吸水再生效果、氣體吸水能力、壓縮機排氣量影響,同時考慮相關設備設計參數綜合選取循環(huán)壓縮機入口壓力為1.5～1.8 MPa壓力控制:隨著閉式系統(tǒng)溫度變化、導淋排放,將緩慢引起系統(tǒng)壓力升高或降低,需要根據壓力變化情況,及時泄放、補充干燥氣體,或者適當調整壓縮機排量低于1.5 MPa時,液氮泵車補壓;高于1.8 MPa時,系統(tǒng)放空泄壓調節(jié)循環(huán)溫度干燥氣體溫度越高,吸水能力越強,且對吸水能力的影響遠高于壓力對吸水能力的影響(降低至20 ℃時,吸水能力極差),故循環(huán)干燥宜重點控制溫度高于40 ℃?？紤]裝置設備設計溫度影響、緊急狀況下的超溫應急處置時間鋁制板翅式換熱器運行溫度極限為65 ℃,壓縮機出口空冷器無變頻控制,選取運行溫度為40～50 ℃

2.2.2設備狀態(tài)要求

水壓試驗完畢后，管線處于吹掃完成狀態(tài)，確保管線低點無存水[13]，強化空冷器、管殼式換熱器的吹水工作及質量控制。對球閥內腔的吹掃，球閥本體排污創(chuàng)新地采用絲堵連接，作為閥腔積水在線有效吹出口，吹掃完成后進行密封焊接，保證低溫工況密封性能。由于塔器直徑較大，干燥氣體流速較小，不易與塔內填料、塔板等內件上的積水充分接觸，干燥效果不佳，宜采用先干燥后安裝塔盤的工作模式。但是，塔內件安裝時間耗時達到20～30天，一般與其他施工工序同步開展，以節(jié)約裝置施工周期，如塔里木油田天然氣乙烷回收工程采用先安裝后干燥模式。干燥過程中，球閥處于半開狀態(tài)(見圖3)，使得高速氣流與底部腔體內的存水充分攪拌，避免全開狀態(tài)下底部腔體與閥體間形成的密閉空間與干燥氣體隔絕。同理，干燥流程設置的調節(jié)閥處于半開狀態(tài)，并逐步打開至全開狀態(tài)。對于壓縮機、膨脹機等動設備，宜處于隔離狀態(tài)，避免軸承旋轉。

3 循環(huán)干燥實踐與認識

3.1 現(xiàn)場實踐情況

先后啟動乙烷壓縮機完成兩列乙烷脫水分子篩的活化再生循環(huán)，分子篩脫水后水露點達到-65 ℃時，緩慢將干燥氮氣引入循環(huán)干燥流程，控制循環(huán)氣量為(2.8～3.0)×104m3/h,循環(huán)干燥氣體溫度為35～45 ℃(受晝夜環(huán)境溫度的影響)，依次完成循環(huán)流程A、B、C干燥作業(yè)，分別于低溫裝置出口、乙烷壓縮機出口測得循環(huán)干燥氮氣水露點變化情況，結果見圖4。從結果分析可得：在前期吹掃質量控制到位情況下，系統(tǒng)循環(huán)干燥時間短，單條流程24 h足夠，三條循環(huán)干燥線均能達到-70 ℃以下水露點；二列循環(huán)流程A開始干燥時，乙烷壓縮機出口與低溫裝置出口水露點異常偏高，在乙烷脫水塔出口，水露點遠低于乙烷壓縮機出口水露點，由此推斷，二列裝置脫水塔出口至乙烷壓縮機入口管線存在大量積水，經過現(xiàn)場低點排液及持續(xù)性干燥后，水露點恢復至-70 ℃以下。

受工藝流程限制，一、二列共用二列天然氣壓縮機及其入口DN800 mm的大口徑管線、一列乙烷壓縮機流程，依次先后完成兩列裝置循環(huán)D流程干燥。干燥氮氣先后經過DN800 mm的大口徑管線、天然氣壓縮機出口空冷器等水壓試驗的設備，管線長度超過1.5 km，且管線走向復雜，初次將干燥氮氣導入一列循環(huán)流程時，氮氣攜帶游離水進入冷箱。為更好地完成冷箱、管線的干燥工作，新增天然氣壓縮機出口、冷箱進出口3個水露點監(jiān)測，結果見圖5。從結果分析可得：由于管線口徑大、距離長、布管復雜，造成前期出現(xiàn)吹水達標的“假象”，系統(tǒng)內積水較多，循環(huán)干燥初期水露點均偏高；由于DN800 mm管線內積水多，二列天然氣壓縮機出口水露點長期高于乙烷壓縮機出口水露點20 ℃，使得進入一列主低溫裝置的干燥氣水露點始終高于-52 ℃，最后以冷箱進出口、乙烷脫水裝置進口水露點均低于-50 ℃且偏差值小于5 ℃為干燥合格標準，轉入二列裝置干燥；隨著二列裝置干燥繼續(xù)進行，DN800 mm管線內存水逐步干燥完畢，二列天然氣壓縮機出口水露點逐漸降低，與乙烷壓縮機出口水露點相同；二列主裝置整體循環(huán)干燥效果好于一列主裝置，整體干燥水露點達到-80～-70 ℃；此外，進行全流程的多點檢測，能夠有效地辨識積水存在的位置。

在循環(huán)干燥氣體“近零排放”情況下，為達到以上干燥效果，采用天然氣放空干燥方法，至少需以2.8×104m3/h的干燥天然氣進行持續(xù)放空，每列裝置折合持續(xù)工作8天，兩列裝置減少消耗干燥天然氣約為1 075.2×104m3。從裝置后期投產過程來看，在一、二列裝置干燥水露點結果下投產，裝置管線、冷箱、膨脹機等關鍵設備與工藝流程試車順利，冷箱換熱效率達到設計預期，有利證明循環(huán)干燥對天然氣深冷裝置投產前干燥的高效性與優(yōu)勢，具備切實可行的操作價值。

3.2 實踐中的不足及建議

3.2.1循環(huán)干燥氣體攜帶潤滑油

乙烷壓縮機磨合初期缸體潤滑油注入達到30 L/d，造成壓縮機出口聚結器排出大量潤滑油(見圖6)，存在潤滑油攜帶至冷箱、低溫凍堵冷箱的風險，其直接決定循環(huán)干燥的可行性。從出口分離器過濾能力、潤滑油組分、液烴溶解、分子篩吸附等方面進行全面分析，于現(xiàn)場導淋排放監(jiān)控，從而完成循環(huán)干燥作業(yè)。具體建議如下：①采用離心式壓縮機增壓，避免干燥氣體帶油；②往復壓縮機循環(huán)增壓，加強聚結器排液及濾芯檢測更換；③投產前的常溫工況，利用工藝介質大氣量對冷箱各流道潤滑油吹掃；④后期出現(xiàn)潤滑油凍堵，可采用輕烴產品進行溶解解堵。

3.2.2管線游離水進入設備內部

DN800 mm管線的距離長且口徑大，受前期吹掃氣速的限制，較多的游離水積存于彎頭等管道低洼處。循環(huán)干燥時，干燥循環(huán)氣體快速引入，攜帶大量的游離水，快速進入冷箱等設備內部，給干燥工作造成很多不確定性。根據一、二列裝置干燥應用情況，建議如下：①緩慢增加循環(huán)氣量，并持續(xù)性地對管線沿途管線導淋就地放空檢測，發(fā)現(xiàn)有游離水時，維持該循環(huán)氣量，直到系統(tǒng)無游離水后增加循環(huán)氣量；②在預設的干燥循環(huán)流程上，靠近關鍵設備進口法蘭管線處增加積液包，便于排液；③關鍵設備進水情況下，延長干燥時間，并于設備進出口檢測水露點變化情況，直到兩者水露點一致；④在條件允許情況下，投產初期注入一定量的甲醇，對冷箱等關鍵流道進行甲醇預膜處理。

3.2.3忽視機械雜質帶來的堵塞

循環(huán)干燥過程中，只關注系統(tǒng)水露點的變化情況，忽視了管線內的浮銹、泥土、焊渣等固體顆粒的影響，未能及時關注冷箱等關鍵設備入口管道過濾器壓差及運行情況，過濾器壓差高造成濾網破裂，部分機械雜質進入冷箱流道或側抽熱虹吸線，造成冷箱壓差高。相關建議：①每個循環(huán)干燥流程，應嚴格按照正式投產運行考慮，關注管道過濾壓差并及時清理過濾器；②對于深冷裝置，參與的水壓試驗管線建議合理采用不銹鋼材質，避免水壓試壓后產生結塊的浮銹，以減少后期停車清理過濾器的頻次；③在冷箱已經堵塞的情況下，通過爆破吹掃可以有效清除雜質。

3.2.4忽視甲醇注入管線徹底干燥

深冷裝置多處設置小口徑的甲醇注入線，且各注入點運行壓力相差較大，忽視甲醇注入管線的徹底干燥。后期投產注入點閥門內漏，注醇管網帶壓，甲醇管線內積水擠壓至低壓注入點，正常運行設備存在凍堵風險；另外，現(xiàn)場緊急注入甲醇時，存在注入甲醇濃度不夠或者先將管線內的水直接注入系統(tǒng)的可能性。對于主工藝管線相連接的工藝支線，如甲醇線、排污管線，建議同時加強干燥吹掃。

3.2.5循環(huán)干燥工藝流程設計不系統(tǒng)

循環(huán)干燥流程的核心是必須具備適應循環(huán)工藝流程的氣體增壓設備、溫度控制及水分深度脫出裝置，并充分結合流程中相關裝置特點進行合理的旁路設計。設計人員初期考慮循環(huán)干燥流程不夠深入，使得本工程循環(huán)干燥只能根據主體工藝流程的實際情況進行組合拼接，存在一定不適應性。為更好地實現(xiàn)循環(huán)干燥，建議開展循環(huán)干燥專項設計審查，對循環(huán)流量、溫度控制、干燥旁路流程設置、低點排液、管線選材等開展系統(tǒng)性設計。

4 結論

(1) 改進的循環(huán)干燥流程干燥效果好，裝置投產未發(fā)生凍堵，實現(xiàn)了干燥氣體“近零排放”，成功的運行經驗可積極促進天然氣深冷裝置建設時的高壓氣壓試驗向水壓試驗轉變，有利于避免氣壓試驗風險。

(2) 對比分析了不同的干燥方法，對各方法存在的難點進行了分析總結；受工程建設不確定性影響，對氣壓試驗裝置也有必要進行投產前的系統(tǒng)干燥，循環(huán)干燥法具有安全高效的優(yōu)勢。

(3) 結合循環(huán)干燥實踐情況，明確了循環(huán)干燥壓力、流量、溫度、水露點檢測等參數的確定原則。

(4) 針對應用過程中存在的不足，提出了切實可行的解決措施及建議，可為天然氣深冷裝置投產前的干燥設計及操作提供借鑒和參考。